研究報告

鋼床版と同等の軽量かつ耐久性の高いUFC 道路橋床版の開発
一宮利通＊1・金治英貞＊2・小坂崇＊3・齋藤

公生＊4

近年，鋼床版の溶接部に，車両（とくに大型車）の走行に伴う変形に起因する疲労き裂の発生が顕在化している。新設橋梁
においては，開断面リブやデッキプレートの増厚などの対応により，そのリスク低減が図られているが，舗装の損傷など付随した懸念点も残されている。そこで，超高強度繊維補強コンクリートを用い，耐久性が高く，しかも鋼床版並みに軽量なコンクリート系床版を開発した。ここでは，FEM 解析による試設計から構造諸元を決定するとともに，輪荷重走行試験により輪荷重の繰返し載荷に対する安全性を検証した結果，ならびに軸圧縮力の繰返し載荷に対する安全性を検証した結果を報告する。
キーワード：超高強度繊維補強コンクリート，道路橋床版，輪荷重走行試験

1．は じ め に
都市高速の道路橋では，橋脚の位置や基礎の規模が制約

UFC 床版されたり，非常に短い期間での建設が要求されたりすることから，軽量な鋼床版の使用頻度が他の道路と比べ相対的に高い。しかし，近年，既設道路橋においてさまざまな要因により疲労き裂の発生が顕在化している。新設橋梁においては開断面リブやデッキプレートの増厚などの対応によ

鋼横リブ
鋼横桁

鋼主桁

りそのリスク低減が図られているが，根本的な解決とはな

図- 1っていない。そこで，筆者らは，超高強度繊維補強コンク

UFC 床版の概要

リート（以下，UFC）を用い，自重が鋼床版と同程度となる道路橋床版（以下，UFC 床版）を開発している 1 ）。本

えられるが，今回はワッフルタイプとした。本床版は橋軸床版は次章で示すように 2 方向にリブを有する構造となっ方向および橋軸直角方向に約 250 mm 間隔でリブを有し，ており，輪荷重載荷によるリブのねじりなど局所的な応床版リブ位置での高さは 123 mm，リブのないスラブの厚力，ならびに輪荷重の繰返し走行に対する安全性を検証すさは 40 mm である。リブには高強度 PC 鋼材 1S15.7 mmる必要がある。また，合成桁に作用する曲げモーメントにが 2 本ずつ配置され，プレテンション方式で 2 方向にプレより床版には軸圧縮力が繰返し作用する。そこで本研究でストレスが導入される 1 ）。

は，輪荷重による床版の挙動および輪荷重の繰返し載荷に3．UFC 床版の試設計対する安全性を検証した。また，UFC 床版への軸圧縮力3.1の繰返し載荷に対する安全性を検証した。

試設計の対象構造

試設計は，実橋である鋼 5 径間連続鋼床版箱桁（平均支2．UFC 床版の概要

間長 70 m，全幅員 19 m）を対象モデルとして，鋼床版のUFC 床版の概念を図 - 1 に示す。鋼床版箱桁のデッキデッキプレートおよび鋼縦リブ部分を UFC 床版に置き換

プレートおよび縦リブをこれらと重量が同等な UFC 床版えて試設計した。試設計の結果，算定された UFC 床版は，で代替するものとした。UFC 床版は橋軸直角方向に配置

図 - 2 に示すようにスラブ厚 40 mm，リブ高 123 mm であされる鋼横桁または鋼横リブ，および橋軸方向に配置されり，2 方向にリブを配置したワッフル状の床版である。

る鋼主桁または鋼縦桁の 4 辺で支持される構造とした。ま

本検討に用いた UFC の圧縮強度 f ʼck は 180 N/mm2，ひびた，UFC 床版と鋼桁はずれ止めにより一体化され，合成割れ発生強度 f cr は 8 N/mm2 とした。UFC 床版に生じる応後に載荷される死荷重や活荷重に対して合成桁として抵抗力度は土木学会「超高強度繊維補強コンクリートの設計・するものとした 。

施工指針（案）」（以下，UFC 指針）2 ）に準拠し，引張はひ1）

UFC 床版の概要を図 - 2 に示す。リブの配置は種々考

び割れ発生強度 f cr，圧縮は 0.6 f ʼ ck ＝－108 N/mm2 を制限

Toshimichi ICHINOMIYA：鹿島建設 ㈱ 技術研究所 上席研究員
Hidesada KANAJI：阪神高速道路 ㈱ 技術部 室長＊3Takashi KOSAKA：阪神高速道路 ㈱ 技術部 課長代理
＊4
Kimio SAITO：鹿島建設 ㈱ 土木管理本部 グループ長＊1＊2Vol.56, No.1, Jan. 2014

37

研究報告

B

40
7030 30

30 30 30A
9@230＝2 070
70365
360

図- 2

8@230＝1 840

240

365
240

40

123
32

A

プレテンション
PC鋼材
1S15.7（SWPR7HT）

100 160 60 160 60
プレテンション
PC鋼材
5 55 55
1S15.7（SWPR7HT）
B−B

2 440

橋軸方向

37123

鋼横リブ位置

36 50

19 000鋼主桁ウェブ位置B

50 30 3535 353580 190 70 190 70

10@250＝2 500

5370

5 5A−A

5 5試設計によって設定したサクセム床版（単位：mm）値とした。PC 鋼材は，高強度 PC 鋼材 1S15.7（SWPR7HT）
を床版 1 枚あたり橋軸方向に 152 本（2 本 / リブ），橋軸直対称面角方向に 18 本（2 本 / リブ，支点部は 1 本 / リブ）配置した。

3.2⑴

床版の試設計

設計・解析条件
線支持

床版の設計については，道路橋示方書で規定されている床版に作用する曲げモーメントを直接適用できないと考え

図- 4られるため，3 次元 FEM 解析によって活荷重による発生支持条件および境界条件応力度に対する構造の成立性を確認した。解析にあたっては，UFC 床版を支持する鋼横リブの配置間隔を 2.5 m とした。

し，橋軸方向に 15.0 m（6 パネル）の範囲をモデル化した。

⑵

設計結果

また，対称性を考慮して橋軸直角方向は半分の断面をモデ発生応力度がもっとも大きくなった載荷パターンである

ル化した。解析モデルにおいて，鋼桁はシェル要素，UFC「張出し床版先端付近での曲げ」と 「箱桁－箱桁間での曲床版はソリッド要素，PC 鋼材はバー要素を用いてモデルげ」に着目した載荷パターンの解析結果（死荷重＋プレス化した。PC 鋼材の緊張力は，バー要素に温度荷重を与えトレス＋活荷重）として，最大主応力分布と最小主応力分て所定の緊張力が生じるようにした。また，既往の試験結布を図 - 5，6 に示す。床版上面で 6.6 N/mm2 の引張応力果を参考に床版端部から 600 mm 区間の緊張力のロスに

3）ついては，バー要素に与える温度荷重を変化させて表現し箱桁内部
4.1 N/mm2
箱桁一箱桁間6.6 N/mm2た。解析モデルを図 - 3 に示す。

張出し床版先端3.5 N/mm2

図- 5
図- 3

最大主応力分布解析モデル

載荷荷重は，活荷重（面分布荷重），床版自重（物体力），橋面荷重（面分布荷重）とした。拘束条件としては箱桁ウェブ下端を線支持とした。支持条件および境界条件を図- 4 に示す。

箱桁一箱桁間−80.2 N/mm2

活荷重については，床版の曲げもしくはせん断が厳しくなると想定される箇所にＴ荷重を載荷するものとし，6 パ張出し床版−60.8 N/mm2ターン載荷した。輪荷重の載荷面積は 500 × 200 mm とし，

図- 6

衝撃係数（i ＝ 0.4）および安全係数（νa ＝ 0.1）を考慮

38

最小主応力分布

プレストレストコンクリート

研究報告
橋軸方向
2 440

橋軸直角

2 44060

2 44060

2 640

10@250=2 500方向

輪荷重
走行位置
輪荷重静的

9@260=2 340

9@260=2 340

9@260=2 340

123

載荷位置

図- 7

輪荷重走行試験の試験体
表- 2度，床版下面側で－80.2 N/mm2 の圧縮応力度が生じている。上縁と下縁の応力度の差は大きいものの，すべての載荷パターンについて制限値内であり，図 - 2 に示す薄肉部材による軽量な UFC 床版の設計を成立させることができた。
3.3床版の質量比較

空気量（％）
2.0

UFC の配合

単位量（kg/m3）
水プレミックス
結合材

骨材混和剤

鋼繊維（kg）

195

1 287905

32.2137.4

水の単位量は混和剤の水分を含む

試設計の結果算定された図 - 2 に示す UFC 床版，鋼床版および PC 床版に対する，19 m × 2.5 m の床版の質量比を緊張した状態で丸口バケットを用いて床版の中央に較を表 - 1 に示す。鋼床版については，縦リブに U リブUFC を打ち込み，放射状に流動させながら充填した。一を有する構造を想定している。表の括弧内の数値はデッキ次養生として 20 ～ 30 ℃の湿潤養生を 2 日行い，圧縮強度プレートの板厚および PC 床版の一般部の厚さを示す。算が 100 ～ 120 N/mm2 で緊張力を解放して UFC 床版にプレ定 し た UFC 床 版 の 質 量 は， デ ッ キ プ レ ー ト の 板 厚 がストレスを導入した。その後，85 ℃の蒸気養生を 24 時間16 mm の鋼床版と同等であり，PC 床版の約 1/4 であった。

行った。試験時の圧縮強度は 182 ～ 198 N/mm2 であった。
試験には，大阪工業大学所有の輪荷重走行試験装置を用

表- 1

UFC 床版と他形式床版の質量比較

UFC 床版

鋼床版（t ＝ 16 mm）

PC 床版（t ＝ 260 mm）

8.472 t（1.00）

8.272 t（0.98）

34.963 t（4.13）

いた（写真 - 1）。床版の挙動を確認するための静的載荷試験では，実際の大型車のタイヤを模擬したダブルタイヤを用い，走行方向には図 - 7 に矢印で示す位置に，直角方向には二つのタイヤが中央のリブを跨ぐように，100 kNの輪荷重を静的に載荷した。載荷前後において，荷重，床版ひずみおよび床版たわみを計測した。輪荷重の移動繰返し載荷に対する安全性を確認するための試験では，最大4．輪荷重走行試験
4.1

試験の概要

試験体を図 - 7 に示す。試験体は，実構造物と同様に橋軸方向に 2.5 m ピッチに配置された鋼横リブに支持される構造とした。橋軸直角方向の長さは，実橋における鋼主桁または鋼縦桁の最小間隔と同程度の 2.5 m とした。橋軸方向に 3 枚の床版を並べ，中央の試験体は鋼横リブのみで支持される 2 辺支持とした。2 辺支持とした場合の床版としての剛性は，幅が十分に大きい場合と大きく変わらないことを確認している。両側の試験体は鋼主桁または鋼縦桁で支持されることを想定し，鋼桁にボルトで緊結して 4 辺支持とした。
本試験に用いた UFC の配合を表 - 2 に示す。UFC とし
写真 - 1ては，エトリンガイト生成系の UFC 4 ）を用いた。PC 鋼材

Vol.56, No.1, Jan. 201439

輪荷重走行試験状況

研究報告
220 kN まで載荷できるジャンボタイヤを用いて 100 kN かひずみ（μ）

ら 220 kN まで 30 kN 刻みで階段状に荷重を増加させながら各荷重で 4 万回ずつ繰返し載荷し，合計 20 万回（10 万往復）輪荷重を走行させた。各荷重載荷開始前（0 万回）および 4 万回載荷後（4 万回）に，静的載荷試験を行い，荷重，床版のたわみおよびひずみを計測した。さらに，床版表面に水を張って 130 kN で 2 万回，160 kN で 2 万回の輪荷重走行試験を行った。高速道路で実測された軸重から20100−10−20直角方向
輪荷重−30−40−50
ひずみゲージ−60−70−1 500 −1 000 −500外側内側0500

床版中央からの距離（mm）

1 000

1 500

計測位置

100 年分の載荷回数を推定して試験における等価回数を求めたところ，160 kN の 3 万回目であったため，本疲労試
図- 9

験により床版としての安全性を確認できると考えられる。

リブ側面の鉛直ひずみ

図 - 8 に載荷プログラムを示す。
0250

静的計測

載荷荷重（kN）

ひずみ（μ）

疲労試験

200

水張疲労試験

150

輪荷重−40ひずみゲージ−60−80−100

100−120−1 500 −1 000

輪荷重走行試験

50051015200500

1 000

1 500

計測位置
25

走行回数（万回）

図 - 10床版上面の走行直角方向ひずみ

輪荷重走行試験プログラム

4.2

試験結果

⑴

静的挙動確認試験結果

100

ひずみ（μ）

図- 8−500

床版中央からの距離（mm）

水張疲労試験

挙動確認試験
0

直角方向−20

試験結果の例として，輪荷重載荷位置の隣のリブ側面鉛直ひずみ，中央リブ直上の走行直角方向ひずみ，輪荷重直下の版部材下面の走行直角方向ひずみを図 - 9 ～ 11 に示

輪荷重直角方向50ひずみゲージ0す。それぞれ，リブが横に開くことによる影響，輪荷重がリブを跨いで載荷される影響，薄い版部材の曲げの影響に−50−1 500ついて確認するための計測である。横軸は図 - 7 に矢印−1 000−5000500

1 000

1 500

床版中央からの距離（mm）で示す載荷位置となっており，影響線載荷した場合のひず計測位置みを示している。直角方向の載荷位置と計測位置の関係をそれぞれ図中に示す。
図 - 11

図 - 9 より，リブ側面の鉛直ひずみは計測点の直近に床版下面走行直角方向ひずみ載荷された場合にひずみの変動が最も大きくなっており，リブの両側とも圧縮であった。引張ひずみは最大で 13 μ度のひずみ（応力度に換算すると 3.7 N/mm2）が生じてい（応力度に換算すると 0.6 N/mm ）であり，圧縮ひずみはたが，輪荷重が倍になった場合でもひび割れ発生強度の特最大で 61μ（応力度に換算すると 2.8 N/mm ）であった。

性値 8 N/mm2 以下であること，プレストレスが導入され載荷点に近い側が圧縮となったのは，輪荷重の載荷によっていることから，ひび割れ発生の可能性は低いと考えられて走行方向リブが横に開こうとするのを直角方向のリブがる。

22拘束したことによると考えられる。図 - 10 より，リブを⑵跨いでダブルタイヤが載荷されることによって，床版上面

試 験 結 果 の 例 と し て， 荷 重 100 kN，160 kN お よ びが直角方向に引っ張られる挙動を示すが，輪荷重の載荷に220 kN で 0 万回および 4 万回における中央床版のたわみ

よって床版上面直角方向のひずみは圧縮となっており，輪分布およびひずみ分布を図 - 12 および図 - 13 に示す。

荷重の載荷によって引張が生じることはなかった。床版全両者とも，輪荷重を載荷する前後の計測値の差をとったも体の曲げの影響が大きかったためと考えられる。図 - 11のである。たわみおよびひずみとも，荷重の増加に比例しより，輪荷重の直下の床版下面直角方向において 80μ程て増加した。また，それぞれの荷重における繰返し載荷前40

輪荷重走行試験結果

プレストレストコンクリート

研究報告て挙動するため，合成桁に正曲げが作用した場合，床版に−1.0は軸圧縮力が作用する。床版に作用する軸圧縮応力度は，変位（mm）0.0

橋梁の規模にもよるが，圧縮応力度の制限値に近い値とな

100 kN−0 万回1.0る可能性がある。そこで，エトリンガイト生成系の UFC 4 ）100 kN−4 万回

2.0について，圧縮疲労試験を行い，疲労強度を求めた。

160 kN−0 万回

3.0

160 kN−4 万回

4.0

220 kN−0 万回

5.0−3 000 −2 000 −1 000
01 000計測位置（mm）

また，床版にはプレテンション方式でプレストレスが導入されているが，プレテンション部材に作用する変動軸力が PC 鋼材の付着を劣化させる可能性が考えられる。そこ

220 kN−4 万回

2 000で，プレテンション部材を用いた軸圧縮疲労試験を行い，3 000付着の健全性を確認した。付着の健全性は疲労載荷の有無をパラメータとして曲げ試験によって評価した。
5.2

図 - 12

中央床版の橋軸方向たわみ分布

圧縮疲労強度

φ 50mm × 100 mm の試験体を用いて最大 200 万回の圧縮疲労強度試験を行った結果を図 - 14 に示す。なお，
UFC の 実 強 度 は φ 50 mm × 100 mm の 試 験 体 で 209 N/

100 kN−0 万回

100

100 kN−4 万回

80

160 kN−4 万回mm2 であった。

160 kN−0 万回

200220 kN−0 万回60160

220 kN−4 万回

40200−300 −200 −1000100200300400500600

ひずみ（ 10−6）

図 - 132 106 回180140

疲労強度（N/mm2）

高さ位置（mm）

120120100
低減係数なし安全係数 1.0
実強度試験結果

806040200

中央床版の橋軸方向ひずみ分布

110010 000

1 000 000

繰り返し回数後で差はなく，輪荷重の繰返し載荷による剛性の低下は見
図 - 14られなかった。ほかの計測位置やほかの床版も同様な結果

圧縮疲労強度試験結果であった。
190 kN での 4 万回載荷後，リブ付け根の側面水平方向

土木学会コンクリート標準示方書［設計編］5 ）の疲労強に幅 0.04 mm 未満の微細なひび割れが観察された。また，度を式 ⑴ に示す。疲労強度 f rd は式 ⑴ を用いて求めた。

220 kN での 4 万回までに同様なひび割れが数十箇所で観なお，k1f は安全側に評価するための低減係数で k1f ＝ 0.85，察された。ひび割れの原因は特定できていないが，プレス

f d はコンクリート強度，σp は永久荷重によるコンクリー

トレス導入時に PC 鋼材のポアソン効果によって PC 鋼材

トの応力度，N は疲労寿命，K はコンクリートの状態に関周囲の UFC に円周方向の引張応力が生じ，引張応力が残する係数で K ＝ 17 である。グラフの「実強度」は実強度留した状態のリブ側面に，輪荷重の繰返し載荷による応力を安全係数 1.3 で割って fd を求めたもの，「安全係数 1.0」変動（図 - 9）が作用したことによって発生したものと推は実強度をそのまま f d としたもの，「低減係数なし」はさ定される。ただし，ひび割れが生じたのは設計輪荷重の約らに k1 f を 1.0 としたものである。

2 倍の荷重載荷時であったこと，UFC はひび割れが生じてfrd ＝ k1 f fd（1－σp/fd）（1－log N/K）

も鋼繊維の補強効果によりひび割れ発生強度以上の引張応

圧縮強度の 0.8 倍の載荷で 3 回で破壊したもの以外は安⑴

力を伝達することができること，たわみ分布やひずみ分布

全係数を 1.0 とした推定値よりも安全側の結果となっておからは剛性の低下は見られなかったことから，床版の構造

り，UFC についてもコンクリート標準示方書の式で安全性能に与える影響は小さいと考えられる。

側に評価できると考えられる。

さらに，床版表面に水を張って 130 kN で 2 万回，1605.3

プレテンション部材の軸圧縮疲労試験

kN で 2 万回の輪荷重走行試験を行ったが，床版に損傷は⑴

軸圧縮疲労試験なく，健全であった。

試験体は図 - 15 に示すとおり，床版のリブを取り出した断面を想定し，均等な応力が作用するように長方形断面5．軸圧縮力に対する検討
5.1とし，高強度 PC 鋼材 1S15.7（SWPR7HT）を 2 本配置した。

検討の概要

試験体の長さは，付着長が確保できるように 1 500 mm とした。

UFC 床版と鋼桁はずれ止めで一体化されて合成桁としVol.56, No.1, Jan. 2014

41

研究報告
圧縮疲労試験は写真 - 2 に示すように 500 kN サーボパ

80

ルサーを使用して行った。試験体を両端固定の状態で設置70するため，鋼製の治具をサーボパルサーに固定して試験体60
荷重（kN）を治具内に設置し，治具と試験体の隙間に無収縮モルタルを充填した。試験体に導入した有効プレストレスは，床版に導入する圧縮応力度と同程度の 35.3 N/mm とした。圧2

縮疲労試験では，最小応力度を 5.2N/mm2，最大応力度を50403063.6 N/mm と設定し，プレストレスト合わせた UFC に作20用する最大応力度は圧縮応力度の許容値 108 N/mm2 に近10い約 100 N/mm2 に設定した。載荷回数は，荷重の満載と02除荷が繰り返されるのは 1 日 2 回と仮定し，100 年分を上圧縮疲労無し
圧縮疲労有り0510152025変位（mm）回る 10 万回とした。
図 - 17

曲げ試験による荷重 - 変位関係

繰返し作用した場合でも，PC 鋼材の付着劣化などのプレテンション部材としての構造性能の低下は生じないと考え

110

6．お わ り にUFC 床版の開発において，試設計の結果，ワッフル形

373637られる。

状の床版形状を算定し，デッキプレートの板厚が 16 mm70の鋼床版と同等の軽量な構造で UFC 床版を構成することができた。試設計で設定した諸元の床版について，輪荷重

図 - 15

試験体の断面図

写真 - 2の載荷による挙動を確認するために静的載荷試験を行った

載荷方法

結果，ひび割れが生じるような引張応力度は生じないこと⑵

曲げ試験による健全性評価が分かった。また，設計荷重の 2 倍以上の荷重を載荷した

載 荷 方 法 は， 図 - 16 に 示 す よ う に， 支 間 長 を

輪荷重走行試験により輪荷重の移動繰返し載荷に対する安1 300 mm，等曲げ区間を 200 m とした 4 点曲げ試験とした。

全性を確認した。さらに，プレテンション部材に圧縮応力載荷開始から終了まで，載荷荷重をロードセルにより，試度の制限値に近い圧縮応力度が繰返し作用した場合でも，験体中央のたわみを変位計により，試験体中央下面のひず構造性能の低下は生じないことを確認した。
今後，これらの試設計や実験結果をふまえ，設計・施工みをひずみゲージにより計測した。のための手引きを作成し，実構造へ適用するための開発を1 500
650

200進める予定である。
本研究を行うにあたり，大阪工業大学松井教授，長岡技650

術科学大学長井教授，東京工業大学二羽教授および神戸大学三木准教授にご指導をいただきました。ここに深く感謝の意を表します。

100

1 300

図 - 16100

参考文献

曲げ試験の概要

1 ）小坂ら：鋼床版と同等の軽量かつ耐久性の高い UFC 道路橋床版の開発，第 22 回プレストレストコンクリートの発展に関するシンポジウム，2013.10荷重と試験体中央の鉛直変位の関係を図 - 17 に示す。

2 ）土木学会：超高強度繊維補強コンクリートの設計・施工指針（案），

圧縮疲労試験の有無にかかわらず約 30 kN でひび割れが確

2004.9

認され，荷重変位曲線の勾配が低下し始めた。ひび割れの3 ）一宮ら：超高強度繊維補強コンクリートを用いたプレテンショ発生は，ひずみゲージの計測値からも確認された。圧縮力

ン 部 材 の 構 造 性 能， コ ン ク リ ー ト 工 学 年 次 論 文 集，Vol.28，の繰返し載荷により付着が劣化すると見かけのひび割れ発

2006.74 ）土木学会：超高強度繊維補強コンクリート「サクセム」の技術

生強度が低下すると考えられるが，ひび割れ発生強度は低評価報告書，技術推進ライブラリー No.3，2006.11.

下しなかったことから，付着の劣化は生じなかったと判断

5 ）土木学会：コンクリート標準示方書［設計編］，2013.3

される。ひび割れ発生後の荷重－変位関係の挙動も圧縮疲【2013 年 11 月 5 日受付】

労試験の有無にかかわらず同様であり，圧縮力の繰返し載荷による部材としての構造性能の低下は確認されなかった。したがって，圧縮応力度の制限値に近い圧縮応力度が42

プレストレストコンクリート